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i
UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA
La Universidad Católica de Loja
TITULACIÓN DE INGENIERO QUÍMICO
Optimización de parámetros para la biooxidación de
minerales polimetálicos del distrito minero Portovelo
Trabajo de Fin de Titulación
AUTOR:
Díaz Banegas Esvar Darío
DIRECTORA:
Aguirre Chamba Paulina Isabel, Ing.
LOJA-ECUADOR 2012
ii
CERTIFICACIÓN
Ingeniera
Paulina Isabel Aguirre Chamba
DIRECTORA DEL TRABAJO DE FIN DE TITULACIÓN
CERTIFICA:
Que el presente trabajo denominado: “Optimización de parámetros para la biooxidación de
minerales polimetálicos del distrito minero Portovelo”, realizado por Esvar Darío Díaz Banegas,
cumple con todos los requisitos establecidos en las formas generales para la Graduación en la
Universidad Técnica Particular de Loja, por lo cual me permito autorizar su presentación para
los fines pertinentes.
Loja, septiembre de 2012
…………………………………… Ing. Paulina Isabel Aguirre Chamba
C.I 1104265226
iii
CESIÓN DE DERECHOS
Yo, Esvar Darío Díaz Banegas, declaro ser autor del presente trabajo y eximo
expresamente a la Universidad Técnica Particular de Loja y a sus representantes
legales de posibles reclamos o acciones legales.
Adicionalmente declaro conocer y aceptar la disposición del Art. 67 del Estatuto
Orgánico de la Universidad Técnica Particular de Loja que en su parte pertinente
textualmente dice: “forman parte del patrimonio de la Universidad la propiedad
intelectual de investigaciones, trabajos científicos o técnicos y tesis de grado que se
realicen a través, o con el apoyo financiero, académico o institucional (operativo) de la
Universidad”.
……………………………………
Autor: Esvar Darío Díaz Banegas
C.I. 1104201593
iv
AGRADECIMIENTO
Gracias a Dios.
La presente Tesis es un esfuerzo en el cual, directa o indirectamente, participaron varias
personas: leyendo, opinando, corrigiendo, teniéndome paciencia, dando ánimo, acompañando
en los momentos de crisis y en los momentos de felicidad.
Agradezco a la Ing. Paulina Aguirre por haber confiado en mi persona, por la paciencia y por la
dirección de este trabajo, por los consejos, la ayuda constante y el ánimo que me brindó
durante la realización del mismo.
Doy las gracias a toda mi familia, especialmente a mis padres por hacer de mí una mejor
persona a través de su ejemplo de honestidad y entereza, por lo que siempre han sido una
guía a lo largo de mi vida. A Lily, a más de ser mí hermana, es mi amiga y pilar fundamental en
vida. A mi tío Medardo, por su apoyo, por ser mi gran ejemplo y consejero.
Así mismo un agradecimiento sincero a todas las personas que me brindaron su ayuda
desinteresada y aportaron con su conocimiento para la consecución de este proyecto, Ing.
Alberto Aguirre, Ing. James Calva, Ing. Víctor Sanmartín, Lic. Galo Ojeda, a mis amigos(as) de
laboratorio: Abigail, Denessi, Johana y Xavier.
Finalmente, gracias a mis amigos, amigas y todas aquellas personas que han sido importantes
para mí durante todo este tiempo.
Esvar
v
INDICE DE CONTENIDOS
1. FIN, PROPÓSITO Y COMPONENTES DEL PROYECTO -------------------------------------------------- 1
2. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES ------------------------------------------------------------------------ 2
2.2. ANTECEDENTES ------------------------------------------------------------------------------------------ 4
2.2.1. ANTECEDENTES GENERALES ------------------------------------------------------------------- 4
2.3. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA ---------------------------------------------------------------------------- 5
2.3.1. BIOOXIDACIÓN DE MINERALES --------------------------------------------------------------- 5
2.3.2. MECANISMOS DE BIOOXIDACIÓN ----------------------------------------------------------- 5
2.3.3. CARACTERIZACIÓN DEL MINERAL DE PORTOVELO -------------------------------------- 9
2.3.4. BACTERIAS INVOLUCRADAS EN BIOOXIDACIÓN (ACIDITHIOBACILLUS
FERROOXIDANS) --------------------------------------------------------------------------------------------- 10
2.3.5. PARÁMETROS IMPORTANTES EN EL PROCESO DE BIOOXIDACIÓN --------------- 11
2.3.6. ASPECTOS CINÉTICOS. ------------------------------------------------------------------------- 16
2.3.7. CIANURACIÓN ----------------------------------------------------------------------------------- 17
3. METODOLOGÍA ----------------------------------------------------------------------------------------------- 18
3.1. MICROORGANISMOS -------------------------------------------------------------------------------- 18
3.2. MUESTREO Y PREPARACIÓN DE MUESTRAS -------------------------------------------------- 18
3.3. ADAPTACIÓN DEL INÓCULO EN MEDIO MINERAL ------------------------------------------- 19
3.4. ENSAYOS DE BIOLIXIVIACIÓN ---------------------------------------------------------------------- 19
3.4.1. DETERMINACIÓN DE pH Y EH --------------------------------------------------------------- 20
3.4.2. DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE BACTERIAS --------------------------------------- 20
3.4.3. DETERMINACIÓN DE FE+2 Y DE HIERRO TOTAL ----------------------------------------- 21
3.4.4. DETERMINACIÓN DE SULFATO ------------------------------------------------------------- 21
3.4.5. DETERMINACIÓN DE LA PRODUCTIVIDAD VOLUMÉTRICA MÁXIMA ------------ 22
3.5. ENSAYOS DE CIANURACIÓN------------------------------------------------------------------------ 22
3.6. DISEÑO EXPERIMENTAL Y ANÁLISIS ESTADÍSTICO ------------------------------------------- 22
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ------------------------------------------------------------------------------- 24
vi
4.1. ANÁLISIS ESTADÍSTICO ------------------------------------------------------------------------------ 24
4.2. DETERMINACIÓN DE LA MEJOR CONCENTRACIÓN DE INÓCULO DEL CONSORCIO
BACTERIANO PORTOVELO. ----------------------------------------------------------------------------------- 25
4.2.1. LIXIVIACIÓN DE HIERRO ---------------------------------------------------------------------- 25
4.2.2. PERFIL DE OXIDACIÓN ------------------------------------------------------------------------- 27
4.2.3. LIXIVIACIÓN DE AZUFRE ---------------------------------------------------------------------- 28
4.2.4. pH y EH -------------------------------------------------------------------------------------------- 29
4.2.5. PRODUCTIVIDAD ------------------------------------------------------------------------------- 30
4.3. DETERMINACIÓN DE LA MEJOR CONCENTRACIÓN DE INDUCTOR (Fe+2) DEL
CONSORCIO BACTERIANO PORTOVELO. ----------------------------------------------------------------- 32
4.3.1. LIXIVIACIÓN DE HIERRO Y SULFATO ------------------------------------------------------- 32
4.3.2. PRODUCTIVIDAD ------------------------------------------------------------------------------- 34
4.3.3. GRADO DE EXTRACCIÓN ---------------------------------------------------------------------- 36
4.4. ENSAYOS DE CIANURACIÓN PARA RECUPERACIÓN DE ORO ------------------------------ 37
5. CONCLUSIONES ---------------------------------------------------------------------------------------------- 39
6. RECOMENDACIONES --------------------------------------------------------------------------------------- 40
7. BIBLIOGRAFÍA ------------------------------------------------------------------------------------------------ 41
8. ANEXOS -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 44
vii
RESUMEN
Palabras claves: biooxidación, inóculo, inductor, productividad
El objetivo de esta investigación fue determinar los valores óptimos para biooxidación como
son concentración de inóculo y concentración de inductor (Fe+2) para la lixiviación de
sulfuros polimetálicos y conseguir la mejor recuperación de oro de los minerales biolixiviados.
Se utilizaron microorganismos Acidiothiobacillus ferrooxidans nativos. Se realizaron pruebas en
el laboratorio a 5 %, 10 %, 15 % y 20 % V/V de concentración de inóculo y cuatro
concentraciones de inductor (Fe+2) como: 2, 4, 6 y 8 g/L
Los resultados obtenidos luego de los ensayos de biooxidación fueron: la mejor productividad
volumétrica (Qp) fue de 0,241 g/Ldía para hierro y 0,295 g/Ldía para sulfatos. El mejor grado
de extracción de hierro que se logró encontrar es de 42 % con los parámetros ensayados. Los
rendimientos de oro luego que las muestras fueron biooxidadas son cercanos al 68 % de
recuperación.
1
1. FIN, PROPÓSITO Y COMPONENTES DEL PROYECTO
FIN
Esta investigación está dirigida para aportar al desarrollo sustentable del país, con lo que se
pretende mejorar los procesos de beneficio de minerales en las zonas mineras del sur del
Ecuador, así como ofrecer una alternativa amigable al ambiente. Con este estudio se está
contribuyendo en la optimización del proceso de biooxidación de minerales auríferos refractarios
de oro para una eficiente recuperación de metales, que pueda ser aplicable a la minería en
pequeña escala, como pre-tratamiento a la cianuración, o como un post-tratamiento a los
desechos sólidos de la minería y que aún pueden contener cantidades importantes de oro.
PROPÓSITO
Optimizar los parámetros para la biooxidación de minerales polimetálicos del distrito minero
Portovelo.
COMPONENTES
Determinar de la mejor concentración de inóculo del consorcio bacteriano Portovelo.
Determinar de la mejor concentración de inductor (Fe+2) para la lixiviación de sulfuros
polimetálicos.
Obtener de la mejor recuperación de Oro de los minerales biolixiviados.
2
2. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES
2.1. INTRODUCCIÓN
La biooxidación de minerales es un proceso de impacto reciente que durante miles de años
las bacterias han llevado a cabo, puesto que habitan en los más variados lugares del planeta,
siendo los depósitos minerales sólo uno más de estos hábitats.
Los minerales refractarios de oro, requieren de un proceso previo a la extracción del metal
que sirve para aumentar el rendimiento de recuperación de oro. Existen algunas alternativas
tanto físicas y biológicas como por ejemplo: la oxidación a alta presión, la tostación y la
oxidación biológica. Ésta última ha tenido gran relevancia debido a que es una tecnología
limpia, que involucra el reciclaje de materiales y minimización de residuos.1
La biooxidación de minerales de oro es un proceso mediante se facilita la recuperación de
pequeñas partículas de oro insertadas en la matriz de mineral sulfurado sean accesibles a la
cianuración, posibilitando así la recuperación del oro, utilizando microrganismos. Las ventajas
de los procesos de tratamientos microbiológicos de minerales en comparación con los
procesos piro-metalúrgicos, son evidentes: se hace posible el procesamiento económico de
minerales de baja ley o de materias residuales, no provoca polución al aire ni al suelo si se
utiliza apropiadamente, y es de fácil operación adaptable a automatización.
En los minerales piríticos, como pirita y la arsenopirita, se encapsula el oro, haciéndolo
inaccesible a lixiviantes tales como cianuro y tiourea. La oxidación parcial de la pirita y la
arsenopirita desenmascara el oro lo suficientemente para la extracción, y al mismo tiempo,
disminuye el consumo no específico e irreversible de cianuro durante la subsecuente
extracción del oro, es por ello el gran aumento de la investigación de los aspectos básicos de
bioquímica, fisiología y genética de los microrganismos lixiviantes, junto con factores de
ingeniería tales como cinéticas de crecimiento y lixiviación, procesos de transferencia de
masa y modalidad de operación.
Desde que se hizo el aislamiento y caracterización de Thiobacillus ferooxidans, la primera
bacteria conocida capaz de oxidar minerales, se comenzó a prestar atención a los nuevos
3
microorganismos con características de existir y proliferar en ambientes extremos de pH y
concentración de metales.2
Es por ello que este trabajo comprende un estudio del proceso de biooxidación llevado a
cabo con mineral del distrito minero Zaruma-Portovelo; que es un depósito de sulfuros
polimetálicos. En la actualidad la operación de estos procesos tradicionales vinculados a la
pequeña minería es de 1800 toneladas de mineral al día, lo cual genera desechos minerales
que contienen aún importantes concentraciones de oro refractario.3
El área de Biotecnología Microbiana y Biominería actualmente perteneciente a la Sección de
Ingeniería de Procesos del Departamento de Química se encuentra estudiando desde el 2009
la aplicación de la biooxidación para el aprovechamiento de yacimientos auríferos
refractarios bajo un modelo de gestión: Biominería para el aprovechamiento de los recursos
no renovales del sur del Ecuador y con este estudio pretende continuar con las experiencias
para determinar los parámetros óptimos en el proceso de biooxidación de minerales
auríferos refractarios.
Dentro de los objetivos planteados en esta investigación se tiene:
Determinar la mejor concentración de inóculo del consorcio bacteriano Portovelo, en
cuatro concentraciones diferente. (5, 10, 15, 20 % V/V)
Determinar la mejor concentración de inductor (Fe+2) para la lixiviación de sulfuros
polimetálicos variando en cuatro concentraciones. (2,4, 6 y 8 g/L Fe+2)
Conseguir la mejor recuperación de Oro de los minerales biolixiviados mediante el
proceso de cianuración.
4
2.2. ANTECEDENTES
2.2.1. ANTECEDENTES GENERALES
El uso de la biotecnología para la recuperación de metales valiosos, a partir de
residuos generados por la minería, podría tener un gran impacto sobre esta industria,
a la vez que se generarían nuevas oportunidades económicas. Dentro de los
principales beneficios de la lixiviación bacteriana es su bajo costo y menor
contaminación ambiental en comparación con procesos mineros tradicionales.4
El uso de microorganismos nativos hierro-oxidantes, entre los que se ha identificado
principalmente a Acidothiobacillus ferrooxidans, como principal responsable de la
biolixiviación bacteriana, puesto que puede oxidar ión ferroso a férrico, actúa como
un agente oxidante muy eficaz para disolver sulfuros, siendo éstos
quimiolitoautótrofos, es decir, utilizan CO2 como fuente de carbono y iones ferroso y
compuestos sulfurados reducidos como fuente de energía. Además, utiliza el oxígeno
como aceptor final de electrones.5 El uso de estos microorganismos en procesos
tecnológicos es recomendable debido a sus simples requerimientos nutricionales y su
alta adaptabilidad.6
Actualmente debido al agotamiento de los depósitos superficiales de oro, se hace
necesario buscar alternativas viables para el aprovechamiento de los minerales que
se encuentran a profundidades mayores.7 En este sentido, biooxidación es una de las
tecnologías limpias con mayores posibilidades de aplicación en estos casos.8
El uso de éstas nuevas tecnologías se deben a la deficiencia que existe para la
recuperación de metales por las tecnologías tradicionales para la recuperación de
metales como el oro, a partir de minerales sulfurados, lo que hace que gran parte de
este metal permanezca en los residuos sólidos, sin recuperar, siendo éstos una
fuente potencial de obtención de este recurso. En este sentido, la biooxidación
ofrece la posibilidad de solucionar en gran parte la problemática ambiental generada
por la disposición de estos relaves que son ubicados en las riveras de los ríos de las
zonas mineras del país.3 Por lo tanto, para el tratamiento biohidrometalúrgico de los
minerales sulfurados conteniendo orodel sector sur del Ecuador, son fundamentales
estudios sobre la optimización de las condiciones del proceso biooxidación.
5
2.3. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
2.3.1. BIOOXIDACIÓN DE MINERALES
La biooxidación es la utilización de fenómenos biológicos y químicos que ocurren
naturalmente para oxidar minerales sulfurados, mediados por bacterias. Estos
procesos ocurren lentamente en la naturaleza y las condiciones para la biooxidación
son raramente óptimas: temperatura, pH, humedad, disponibilidad de oxígeno,
requerimiento de nutrientes, remoción de los productos finales de la reacción. Los
procesos diseñados están dirigidos a proveer condiciones óptimas para la
biooxidación y sobreponerse a los factores limitantes encontrados en el ambiente
natural.
2.3.2. MECANISMOS DE BIOOXIDACIÓN
La condición de A. ferrooxidans ser quimioautótrofa le confiere una especial utilidad
en los procesos conocidos como biolixiviación de minerales. Los metales se
solubilizan al oxidarse el sulfuro metálico a sulfato. Las micropartículas de oro se
encuentran encapsuladas por los sulfuros minerales y la oxidación de estos permite
que el oro quede más expuesto al tratamiento final de recuperación por el método
de Cianuración. En estos procesos se han propuesto dos formas de participación de la
bacteria; el mecanismo directo y el mecanismo indirecto. 9
2.3.2.1. MECANISMO DIRECTO
El sulfuro metálico es oxidado a sulfato metálico por acción bacteriana de la
siguiente manera expresado en la Ec. 2.1:
→ Ec. 2.1
6
Siendo M un metal bivalente. Esto permite obtener sulfatos que son solubles
en soluciones acuosas ácidas, lo que no sucede con los sulfuros de metales
pesados.
En el método directo se necesita que la bacteria posea un contacto con la
superficie de la partícula del mineral para que produzca la oxidación, es en
esta superficie donde se lleva a cabo la disociación del sulfuro según la Ec.
2.2:
→ Ec. 2.2
De esta forma el sulfuro ya está en solución, y podrá ser atrapado por el
sistema enzimático bacteriano y oxidado a sulfato según la Ec. 2.3.
→ Ec. 2.3
Teóricamente este proceso puede continuar hasta que todo el sustrato sea
convertido en producto, pero en sistemas por lotes la acumulación de
producto en niveles altos puede ocasionar una toxicidad al cultivo
microbiano; Por otro lado, los precipitados cubren la superficie del sustrato
impidiendo la acción bacteriana.
En la literatura sobre biooxidación de concentrados refractarios de oro,
plantea las reacciones de oxidación bacteriana para pirita y arsenopirita,
indicando la alta demanda de oxígeno. La descomposición de la pirita
ocurriría de la siguiente manera según la Ec. 2.5:10
→ ( ) Ec. 2.5
Y la biooxidación para la arsenopirita, como sigue en la Ec. 2.6:
→ ( ) Ec. 2.6
2.3.2.2. MECANISMO INDIRECTO
7
En este caso el sulfuro metálico es oxidado por el ión férrico, generado
previamente por la oxidación bacteriana del ión ferroso11 lo que se ve en la
Ec. 2.7.
→ Ec. 2.7
El azufre elemental puede ser oxidado a ácido sulfúrico por acción
bacteriana, así como se ve en la Ec. 2.8.
→ Ec. 2.8
De la misma manera el ion ferroso es re-oxidado por la bacteria según la Ec.
2.9.
→ Ec. 2.9
El mecanismo requiere la presencia de ion ferroso en solución para que
pueda ser utilizado por la bacteria. La oxidación del ion ferroso puede
realizarse sin la presencia bacteriana, pero se ha demostrado que ocurre a
una velocidad mucho menor, siendo estimada que la acción del A.
ferrooxidans aumenta la velocidad de oxidación del Fe+2 en 105 veces, a las
condiciones de cultivo (pH<2; 30˚C).12
El rol del A. ferrooxidans en la oxidación de minerales sulfurados que
contienen oro es probablemente indirecta, dependiendo de la especie
mineral y determina la generación de un agente oxidante, el sulfato férrico y
un solvente; el ácido sulfúrico, de acuerdo a las ecuaciones 2.8 y 2.9. El caso
de la pirita es:
( ) → Ec. 2.10
La probable reacción de arsenopirita con el ion férrico que se observa en la
Ec. 2.11 y 2.12.
8
→ Ec. 2.11
→ Ec. 2.12
Formándose compuestos muy inestables en el medio como ácido arsenioso,
ion ferroso y azufre elemental, que son oxidados por acción química o
bacteriana, se muestra en la Ec. 2.13:
→
Ec. 2.13
El ion ferroso y azufre elemental son oxidados por la bacteria como se mostró
en las ecuaciones 7 y 8. En presencia de ion férrico se forma arsenato de
hierro como se muestra en la Ec. 2.14.
→ Ec. 2.14
Los diferentes investigadores han demostrado que el mecanismo indirecto es
que predomina ampliamente en el proceso. Aunque también se afirma que
estarían participando ambos mecanismos, tanto el directo como el indirecto.
2.3.2.3. MECANISMO DE CONTACTO
En la actualidad el mecanismo de contacto es uno de los mecanismos q mejor
puede explicar q sucede con las bacterias, la definición de este mecanismo
supone la membrana bacteriana interacciona directamente con el sulfuro
utilizando mecanismos enzimáticos. Esta no es la situación vista a través del
estudio que se está refiriendo. Por otro lado, incluso en un mecanismo
indirecto, puede ser muy complicado distinguir películas de dimensiones
moleculares entre la célula bacteriana y el propio sulfuro. La bacteria se
adhiere al sulfuro con el objeto de acondicionar las inmediaciones de éste de
tal forma se facilite el proceso de disolución, que de otra manera no podría
tener lugar.
9
Adicionalmente, se debe conocer como las bacterias se pueden adaptar a los
distintos ambientes y sistemas de lixiviación. Algunos sulfuros se disuelven en
una disolución ácida o pueden disolverse extrayéndoles electrones a través
del aceptor final férrico. Está es una situación favorable para la lixiviación
indirecta durante la cual la bacteria no tiene que estar adherida a la
superficie del mineral.
Los sulfuros como la pirita no se pueden disolver fácilmente y es necesario
recurrir a la lixiviación por contacto bien para romper la estructura cristalina
del sulfuro y/o extraer azufre, o bien para disolverlo electroquímicamente
con Fe+3.13
2.3.3. CARACTERIZACIÓN DEL MINERAL DE PORTOVELO
De acuerdo a un estudio realizado en conjunto con la Universidad Complutense de
Madrid y la UTPL, en las cuales se han realizado técnicas de análisis como (FRX, DRX y
MEB-EDX) han permitido caracterizar tanto química como mineralógicamente las
arenas de relave del distrito minero Portovelo dando como resultado: La
identificación básicamente tres sulfuros minerales de hierro: pirita (FeS2), pirrotina
(Fe(1-x)S) y arsenopirita (FeAsS), con posibles sustituciones de otros elementos (Pb,
Zn). La cantidad de plata presente es de 22 ppm. Aunque no se ha podido medir el
oro, cabe esperar que el contenido de este elemento en una y otra muestra siga esta
misma tendencia. No se detecta partículas de oro liberadas, así como ninguna fase
argentífera, mediante microscopía electrónica de barrido de electrones
retrodispersados. Dado que no se han observado partículas de Au libres y sí fases
sulfuradas, parece lógico pensar que ambas fases se encuentren asociadas. Si fuera
así, todo apunta a que el oro se encuentra encapsulado en la matriz de estos sulfuros
minerales.14
Asímismo se indica que el peso específico del mineral del distrito minero Portovelo es
de 2,65 g/cm3, el valor de pH a 35 % de sólidos es de 6,5, y según su estudio la
caracterización del mineral es la siguiente:15
10
Tabla 2.1 Caracterización del mineral del distrito minero Portovelo
Minerales Fórmula Cantidad (%)
Pirita FeS2 19,1
Calcopirita CuFeS2 0,44
Esfalerita (ZnFe)S 0,95
Galena PbS 0,4
Arsenopirita FeASS --
Ganga -- 79,11
Y el análisis químico de espectrofotometría de Absorción atómica de muestras de
relave según se muestra en la tabla 2.2:15
Tabla 2.2 Análisis químico por DFX o RFX del mineral del distrito minero Portovelo
2.3.4. BACTERIAS INVOLUCRADAS EN BIOOXIDACIÓN (ACIDITHIOBACILLUS
FERROOXIDANS)
El Acidithiobacillus ferrooxidans, denominado hasta hace poco como Thiobacillus
ferrooxidans,16 es un bacilo gram negativo, quimiolitoautótrofo, no esporulante, que
obtiene la energía para su metabolismo de la oxidación de compuestos inorgánicos
Muestra Portovelo (MR-002)
Elemento Concentración (%)
1 O 43,68
2 Si 20,95
3 Fe 16,38
4 S 5,39
5 Al 5,25
6 Ca 3,98
7 Mg 2,39
8 K 0,74
9 As 0,34
10 Ti 0,29
11 Na 0,26
11
sulfurados y de la oxidación de hierro ferroso. Se ha reportado un diámetro
comprendido entre 0,5 a 0,6 µm y un largo entre 1 a 2 µm17
Es aerobio estricto, mesófilo, crece en ambientes fuertemente ácidos, incluso a pH
menores que 2,5. Es motil, poseyendo al menos un flagelo polar. Es autotrófico, por
lo que sintetiza el carbón orgánico a partir de dióxido de carbono por la vía de Calvin.
Llama la atención de un artículo de ciertos autores en el cual reportan la capacidad
de Acidithiobacillus ferrooxidans para oxidar minerales sulfurados (pirita, calcopirita y
pirrotita) en condiciones anaerobias en presencia de Fe+3 como único aceptor de
electrones, lo cual lleva a la conclusión que esta bacteria no es, en rigor un aerobio
estricto. Acidithiobacillus ferrooxidans obtienen su energía de la oxidación de
compuestos inorgánicos, tales como Fe+2, S-2, S0, S2o3-2.
Su única fuente de carbono proviene de la fijación del CO2 disuelto en el medio ácido,
utilizándolo en las síntesis de los diversos componentes celulares.18
2.3.5. PARÁMETROS IMPORTANTES EN EL PROCESO DE BIOOXIDACIÓN
Para desarrollar adecuadamente un proceso de biooxidación, hay que considerar,
aparte de los microrganismos y el mineral, otros parámetros operacionales
susceptibles de manejar y modificar según requerimientos del cultivo. Estos
parámetros dependen, obviamente de la naturaleza de las bacterias y del mineral
que se trate en el proceso.
2.3.5.1. TEMPERATURA
Dado que el A. ferrooxidans es un organismo, mesófilo, el rango de
temperatura óptima para la lixiviación de sulfuros con este microrganismo
está ubicado entre 20˚C y 35˚C
Determinaciones experimentales en el medio sintético 9K que relacionen el
efecto de la temperatura y la oxidación del ion ferroso, permiten estimar el
valor óptimo en el rango de 30˚C a 35˚C.16, 18
12
2.3.5.2. PH Y EH
El pH óptimo de biooxidación con A. ferrooxidans se ubica entre 1,5 a 2 un
rango que abarca varias décimas, a valores de pH mayores a 2 pueden ocurrir
efectos colaterales, como la formación y precipitación de complejos de
jarosita. El pH puede variar debido a las características del mineral, si es que
éste posee componentes consumidores de ácido.
Un pH inferior a 1,50 no se recomienda debido al efecto de desaceleración
sobre el metabolismo de los microrganismos.19
Así como el pH indica la concentración del ion H+, análogamente el Eh indica
la actividad de los electrones en el sistema. Esta actividad se manifiesta al
haber, al menos un par de componentes de un sistema redox presentes en el
cultivo. En las fermentaciones biooxidantes, el fenómeno principal en sí son
justamente las reacciones que involucran movimientos de electrones, dados
principalmente por la necesidad de los microorganismos involucrados de
obtener su energía desde especies reducidas.
En síntesis, para que haya biooxidación deben haber reacciones redox en el
sistema, ahora, tanto pH como Eh van a variar con el tiempo según las
concentraciones de las especies presentes en el medio, y va a dar una idea de
los equilibrios que van teniendo lugar en éste. 17
El Eh podría tener efecto sobre el crecimiento celular. El usos de inóculos A.
ferrooxidans adaptados a una corriente eléctrica de 1000 mal en un cultivo
electrolítico presentó ventajas sobre inóculos no adaptados y no
electrolíticos.10
2.3.5.3. CONCENTRACIÓN DE INÓCULO E INDUCTOR
La concentración de inóculo es la cantidad de bacterias en un volumen
determinado que intervienen en un proceso de biooxidación, las cuales
estando en un medio puro deben ser adaptadas en un medio mineral para
que sean utilizadas en la inoculación en los procesos de oxidación biológica.
13
El sulfato ferroso heptahidratado va a ser el vehículo que contiene el inductor
(Fe+2) en el proceso de biooxidación, va a estar dado por la cantidad de esta
sustancia en el ensayo, se relaciona con el mecanismo indirecto, donde actúa
como un factor que interviene en éste proceso, ayudando a la reacción de
ión ferroso a ión férrico, dándose así la biooxidación como tal.
La transformación energética asociada al proceso oxidativo de ion ferroso
puede ser resumida en dos procesos relacionados: El transporte directo de
electrones desde el ión ferroso al oxígeno, que mediante un mecanismo de
quimiósmosis produce ATP; y un mecanismo reverso de transporte de
electrones que utilizando una parte de la energía disponible en el transporte
directo.10
Acidithiobacillus ferrooxidans tiene la potencialidad de reducir ion férrico
mientras realiza la oxidación de azufre elemental. La reducción es medible
solamente en condiciones anaeróbicas de acuerdo con estos autores.6 En
contraste, se sugiere que esta bacteria es capaz de reducir ion férrico en la
oxidación de azufre aún en presencia de aire.20
En condiciones normales, el ion ferroso generado en la reducción es
rápidamente oxidado haciendo imposible su detección, pero al aumentar la
acidez (pH menor que 1,2) se produce la inhibición del proceso oxidativo de
ion ferroso, observándose la reducción de férrico. Este proceso inhibitorio es
reversible siendo el tiempo de respuesta del cultivo bacteriano relativamente
corto. Es decir, bacterias que al ser expuestas a valores de pH menores que
1,2 han dejado de oxidar ion ferroso, reinician la actividad oxidativa de ion
ferroso al volver a mayores valores de pH (1,8).10
Siempre un pH apropiado que se elija, la presencia de hierro férrico en la
etapa inicial de lixiviación tiene una gran impacto en la tasa de lixiviación.19
El ión férrico, que corresponde al producto de la oxidación de ion ferroso por
Acidithiobacillus ferrooxidans en soluciones ácidas aireadas, ha sido
reportado como inhibidor competitivo por diversos autores. Lizama y
14
Suzuki (1989) estudiaron el consumo de oxígeno en la oxidación de sulfato
ferroso adicionando distintas cantidades de sulfato férrico y bacterias,
encontrando que la acción del ion férrico se correlaciona adecuadamente a
un modelo de inhibición competitiva.
Adicionalmente encontraron que el efecto inhibitorio del ion férrico es
sinérgico con la concentración de bacterias en solución, es decir, la inhibición
férrica es más importante cuando la concentración bacteriana es mayor.21
2.3.5.4. NUTRIENTES
Los A. ferrooxidans son autótrofos y por tanto no requieren nutrientes
orgánicos. Su fuente de energía es el Fe+2, azufre o sulfuros de metales. Su
fuente de carbono es el CO2, aunque también se ha demostrado que son
capaces de utilizar glucosa. Los requerimientos de los otros nutrientes deben
estar en el medio de cultivo en cantidades proporcionales a su composición
celular, entre los más importantes se cuenta el nitrógeno (como sulfato de
amonio), fósforo (como fosfato ácido de potasio), magnesio (sulfato de
magnesio), calcio (nitrato de calcio), potasio (cloruro de potasio) y factores
de crecimiento.
El medio 9K es el más utilizado en experimentación, siendo el nutriente
limitante el sulfato ferroso.
La oxidación del ion ferroso muestra inhibición por presencia de cloruro,
fosfato y nitrato a concentraciones menores que 0,1 M, también es inhibida
por presencia de azida y cianuro.9
2.3.5.5. OXÍGENO Y DIÓXIDO DE CARBONO
El crecimiento de A. ferrooxidans, bacteria aerobia estricta, puede verse
afectado por la concentración de oxígeno. En un medio ácido a solubilización
del oxígeno y dióxido de carbono es muy baja requiere una velocidad máxima
de transferencia de masa para O2 y CO2 para mantener el crecimiento
bacteriano.
15
Para el caso del O2, este actúa como aceptor final de electrones en las
reacciones de generación de energía del metabolismo de las bacterias
biooxidantes. Como se observa en la Ec. 2.15.
→ Ec. 2.15
En cuanto al CO2, este nutriente es la fuente de carbono utilizada por
microorganismos autótrofos biooxidantes, lo fijan a través del Ciclo de Calvin.
La transferencia tanto de O2 como de CO2 se la realiza en la práctica
mediante agitación mecánica o neumática.
2.3.5.6. TAMAÑO DE PARTÍCULA Y DENSIDAD DE PULPA
El tamaño de partícula es un parámetro crítico que influye en la velocidad del
proceso y los costos asociados a la reducción del tamaño. Está asociado con
el área superficial del mineral expuesta para ser atacada, así como el número
de sitios activos disponibles. Esto último es de gran importancia, ya que las
bacterias, al no tener sustratos solubles, necesitan adherirse a sólidos en
busca de su fuente de energía, por lo que una gran población bacteriana
necesitará mayores lugares donde encontrarla. Sin embargo, el tamaño de la
partícula del mineral tampoco debe ser excesivamente pequeño, lo cual es
imprecindible en sitios donde no hay agitación ni suspensión del mineral.
Para los ensayos de biooxidación del distrito minero Portovelo se debe
utilizar un tamaño de malla de 180-200, a una densidad de pulpa del 15% p/v
que se indicará más adelante.5
La densidad de pulpa relaciona la cantidad de sólidos por unidad de volumen
del medio de fermentación. Una mayor densidad de pulpa implicará una
mayor masa disponible para ser biooxidada, y, por tanto, mayor cantidad de
área superficial para que las bacterias se unan a ella. Sin embargo, hay que
16
diferenciar entre el aumento de área superficial por disminución de tamaño
de las partículas y por aumento de densidad de pulpa.
En bibliografía se muestra que algunos minerales con bajo contenido de
azufre/sulfuro presentan velocidades de solubilización óptimas a elevadas
concentraciones de sólido. Un análisis detallado de los resultados muestra
que probablemente la limitación de los procesos de biooxidación a altas
concentraciones de sólidos podría estar relacionada con el contenido de
azufre/sulfuro en el mineral y no solamente con el porciento de sólidos
totales. 22 La densidad de pulpa más conveniente para la biooxidación para
el distrito Portovelo es del 15 % p/v.3
2.3.6. ASPECTOS CINÉTICOS.
El análisis cinético del proceso de biooxidación de un mineral concentrado de oro es
un fenómeno complejo que involucra la adherencia de las bacterias al mineral, el
crecimiento en el sólido y en el líquido.
2.3.6.1. ADHERENCIA DE LAS CÉLULAS AL MINERAL
En el análisis de adherencia de las bacterias al mineral es posible distinguir
dos aspectos: principalmente el aspecto cinético que dice sobre la velocidad
a la que se adhieren las células a mineral y de ningún otro modo sería la
etapa limitante den la velocidad global pues es un proceso muy rápido
aproximadamente a los 30 minutos de estar en contacto con el mineral se ha
establecido el equilibrio). El segundo aspecto y de mayor importancia, es la
caracterización “termodinámica” de la adherencia, es decir en qué
condiciones se establece el equilibrio. Se plantea que esta adherencia de las
bacterias al mineral ocurre de manera selectiva y está controlada no sólo por
una interacción física (electrostática e hidrofóbica) sino que la bacteria
reconoce los sitios en los que se encuentran los iones reducidos en el mineral
y se adhiere selectivamente a ellos, es decir existen sitios activos de un alto
contenido energético los cuales son “preferidos” por las bacterias.23
17
2.3.6.2. CRECIMIENTO EN EL LÍQUIDO
La velocidad de crecimiento en la fase líquida se relaciona con la
concentración de iones Fe+2 en la solución. En muchos casos se planea la
existencia de inhibición competitiva por partes de iones arsénico, de algunos
metales pesados, de iones férrico incluso inhibición por sustrato es decir por
iones ferroso.24
2.3.6.3. CRECIMIENTO EN EL SÓLIDO
Generalmente se ha considerado el crecimiento en el sólido a expensas de
sulfuro y de azufre elemental en forma simultánea. Probablemente esto
constituye una buena aproximación si se tiene en cuenta la similitud en las
vías metabólicas para la asimilación de ambos sustratos. La velocidad
específica de crecimiento a expensas del sólido ha sido considerada como
una constante que depende del microrganismo y del sustrato sólido utilizado
por éste.25
2.3.7. CIANURACIÓN
La cianuración es un proceso que se aplica al tratamiento de las menas de oro. Desde
hace muchos años. Se basa en que el oro nativo, plata o distintas aleaciones entre
estos, son solubles en soluciones cianuradas alcalinas diluidas, regidas por la Ec.
2.16:
4 Au + 8 CNNa + O2 + 2 H2O → 4 (CN)Na Au + 4 NaOH Ec. 2.16
Esta fórmula es conocida como la ecuación de ELSNER. Las principales variantes de
lixiviación son: la lixiviación por agitación y la lixiviación por percolación.
Mediante la lixiviación por agitación, la mena molida a tamaños menores a las 150
mallas (aproximadamente tamaños menores a los 105 micrones), es agitada con
solución cianurada por tiempos que van desde 6 hasta 72 horas. La concentración de
la solución cianurada está en el rango de 200 a 800 ppm (partes por millón equivale a
gr de cianuro por metro cubico de solución).
18
El pH debe ser alto, entre 10 y 11, para evitar la pérdida de cianuro por hidrólisis
(generación de gas cianhídrico, CNH, altamente venenoso) y para neutralizar los
componentes ácidos de la mena.
Para evitarlo anterior se usa cal, para mantener el pH alcalino. Se adiciona lo
necesario para mantener la concentración de CaO libre en la solución por encima 100
g/m3.
Las variables a determinar son las siguientes:
Consumo de cianuro por tonelada de mineral tratado.
Optimo grado de molienda.
Tiempo de contacto, ya sea en la lixiviación por agitación como en la lixiviación
por percolación.
Concentración más conveniente del cianuro en la solución.
Dilución más adecuada de la pulpa.26
3. METODOLOGÍA
3.1. MICROORGANISMOS
Las bacterias Acidithiobacillus Ferrooxidans que se usó para esta investigación fue obtenido
en el Centro de Biología Molecular y Celular de la UTPL, ésta cepa nativa proviene del
aislamiento efectuado de drenajes ácidos de minas del distrito minero Portovelo en el año
2007.
3.2. MUESTREO Y PREPARACIÓN DE MUESTRAS
El mineral utilizado para los ensayos de biooxidación fue conseguido de lo relaves de la zona
minera de Portovelo. Se procedió a realizar la respectiva homogenización y cuarteo del
mismo para luego someterlo a molienda en un molino de bolas escala de laboratorio de 1
HP de potencia (Figura3.1 del Anexo 1) y luego a un análisis granulométrico en una serie de
tamices A. S. T. M. determinado el D80 en un tamaño de malla de 184,8, esté se ve reflejado
en el Anexo 2
19
Luego de cumplir con los parámetros establecidos de tamaño de partícula comprendida
entre 180-200 mallas se realizó el lavado del mineral con una solución de etanol al 40%,
además se lo esterilizó mediante la exposición de microondas en un aparato de microondas
marca Panasonic durante 5 minutos.
La acidificación del mineral se la realizó en matraces Erlenmeyer de 500 ml en una solución
final de 200 ml, con 30 g de mineral y 4ml de medio Norris 9K; se utilizó ácido sulfúrico
concentrado logrando un pH de 1,8; midiendo continuamente con un pHmetro marca
Hanna durante aproximadamente quince días con una agitación de 200 rpm en un agitador
orbital de matraces marca Max3000 en una cámara termostatizada instalada en el
laboratorio.
3.3. ADAPTACIÓN DEL INÓCULO EN MEDIO MINERAL
Se realizó la inoculación en un matraz Erlenmeyer de 1000 ml, a un volumen final de 500
ml, con 2% de mineral, 10ml de medio Norris 9K, 2% de inductor (Fe+2) en una cámara
termostatizada a 30˚C instalada en el laboratorio, a una velocidad de agitación de 250 rpm
en un agitador orbital marca MAXQ 3000 evaluando el pH continuamente hasta que se
estabilizó en 1,8 aproximadamente en 15 días. Este procedimiento se realizó en el mismo
lapso que la preparación y acidificación de las muestras a evaluar.
3.4. ENSAYOS DE BIOLIXIVIACIÓN
Posterior los ensayos sometidos a acidificación se procedió a colocar el inductor (Fe+2)
sulfato ferroso heptahidratado FeSO4.7H2O y se controló el pH hasta que se estabilice en
1,8. Ver en la figura 3.2 en el Anexo 1
Una vez con las muestras acidificadas y el inóculo adaptado a medio mineral se procedió a
hacer la inoculación en cada matraz Erlenmeyer, teniendo en cuenta las condiciones de
cultivo tales como 30˚C en una cámara termostatizada, agitación de 220 rpm en agitador
orbital para matraces marca Max3000, así mismo tomar en cuenta que previamente ya se
colocó el mineral al 15% de densidad de pulpa (30g) y el 2% de medio Norris 9K (4ml); éste
último se describe su composición a continuación:
20
Tabla 3.1 Composición del medio 9K
Los parámetro tomados en cuenta para la validación de los ensayos de biooxidación son los
siguientes: pH, potencial redox (EH), número de bacterias, determinación de Fe+2, Fe Total,
Fe+3, determinación de sulfatos y determinación de productividades máximas. Ver los
ensayos en la Figura 3.2 del Anexo 1.
3.4.1. DETERMINACIÓN DE pH Y Eh
Se realizó la medida del pH y Eh con un pHmetro marca Hanna periódicamente cada
7 días.
3.4.2. DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE BACTERIAS
Se realizó el conteo de células en una cámara de Neubauer tomando 10µL de
muestra y colocada entre la cámara y la placa de cubre-objeto, luego se lo observó en
el microscopio y se procede a hacer el conteo tal como se indica en la figura 3.3
Figura 3.3 Cámara Neubauer Improved.Fuente: S.L., G. S. A., Cámara de neubauer. http://shop.gabsystem.com/data/descargas/Camara%20thoma%20neubauer_Esp.pdf, Bcn [Spain] 2002. Vista: 2012-07-17
Compuesto Concentración (g/L)
(NH4)2SO4 0,4
MgSO4.7H2O 0,5
K2HPO4 0,2
KCl 0,1
H2SO4 Aprox. 1ml/L
21
Además de eso se obtuvo el número de bacterias iniciales presentadas en la Tabla 3.2
Tabla 3.2 Número de bacterias iniciales
Concentración (%V/V)
Bacterias contadas Bacterias /ml
5 55
11000000
10 63
12600000
15 70
14000000
20 68
13600000
Se determinó con la fórmula
ec. 3.1
3.4.3. DETERMINACIÓN DE FE+2 Y DE HIERRO TOTAL
El ion ferroso se determina utilizando el método de Muir, basado en la formación de
un complejo coloreado entre Fe+2 y 1,10-fenantrolina y se compara con la curva de
calibrado.27 La curva de calibración y el procedimiento se la observa en el Anexo 4.
El hierro total se mide por reducción del Fe+3 con clorhidrato de hidroxilamina y
midiendo el Fe+2. El ion férrico se determina por diferencia entre ion ferroso y hierro
total.27 Ver en la figura 3.4 del Anexo 1, así como el procedimiento y curva de
calibración en el anexo 4
3.4.4. DETERMINACIÓN DE SULFATO
El ion sulfato, en solución se determina por un método turbidimétrico. El ion sulfato
es precipitado en un medio ácido con cloruro de bario formando cristales uniformes
de sulfato de bario. La absorbancia de esta suspensión es una medida de la
concentración de iones sulfato.27 Ver el procedimiento y la curva de calibración en el
Anexo 4.
22
3.4.5. DETERMINACIÓN DE LA PRODUCTIVIDAD VOLUMÉTRICA MÁXIMA
Se determina la velocidad de lixiviación con el método de la productividad
volumétrica máxima a partir de las curvas de lixiviación de hierro y concentración de
sulfato. El parámetro se determinó a partir del hierro total lixiviado o sulfato
producido en función del tiempo.
3.5. ENSAYOS DE CIANURACIÓN
Fue preciso realizar la cianuración de las muestras biooxidadas para poder conocer por
medio de un análisis de absorción atómica la concentración de oro recuperado.28 Para lo
cual fue necesario realizar un lavado de las muestras con agua destilada y someterlas a
secado, con la finalidad de aumentar el pH de la muestra y evitar excesos en el consumo de
cal durante la cianuración29, se lo ha desarrollado de la siguiente manera indicado en el
Anexo 5.
3.6. DISEÑO EXPERIMENTAL Y ANÁLISIS ESTADÍSTICO
El diseño experimental planteado se llevó a cabo por bloques, experimentos donde (C)
concentración de inóculo; (E) concentración de inductor, (CM) concentración de metal
biooxidado. En todos los casos se consideró un patrón de control (B) sin bacterias y (R)
corresponderá al número de repeticiones. En total se llevaron a cabo 28 ensayos para
cumplir con los objetivos 1 y 2, indicados en la Tabla 3.3
Tabla 3.3 Diseño experimental
Objetivo Preguntas de Investigación
Denominación Variables Condiciones Valores Constantes Variables
Dependientes
1
¿Cuál sería la mejor concentración de inóculo del consorcio bacteriano Portovelo para la biooxidación de sulfuros polimetálicos?
C Concentración de inóculo (%V/V)
5, 10, 15, 20
220 rpm
30ºC
1,8 pH
15% densidad de pulpa
Medio Norris
Fe+2
Fe total
sulfatos
EH
pH
23
Tamaño de partícula 74 µm
2
¿Cuál sería la mejor concentración de inductor (Fe+2) para la lixiviación de sulfuros polimetálicos?
E Concentración de inductor(Fe+2/gL-
1) 2,4, 6, 8
220 rpm
30ºC
1,8 pH
15% densidad de pulpa
Medio Norris
Tamaño de partícula 74 µm
Fe+2
Fe total
sulfatos
EH
pH
3
¿Cuál sería la mejor recuperación de Oro del mineral biooxidado?
CM
Concentración de metal lixiviado en cianuración (ppm)
consumo de cal y cianuro
150 rpm
10,5 pH
24 horas
Temperatura ambiente
33% dilución de pulpa
concentración de oro
consumo de cianuro
consumo de cal
Ensayos Totales
(4C×3R+4B)+(3E×3r+4B)=29 experimentos
(4C×3E×3R+4B)×CM=40 experimentos
Por otro lado se llevó a cabo el análisis estadístico utilizando el programa de XLSTAT versión
7 Pro, en el que se realizaron pruebas comparativas de Duncan y Tukey, así mismo, se utilizó
un análisis de regresión utilizando el método de mínimos cuadrados.
A continuación se muestra el diagrama de flujo del proceso en la figura 3.2
24
Muestreo Preparación de
Mineral
Acidificación: pH 1,8; 15% P/V densidad de pulpa; Molienda a tamaño de
partícula: 180-200 mallas.
Preparación de Inóculo
Adaptación a a medio mineral:2%; Fe2SO4;
Ensayos de Prueba (Biooxidación)
Agitación: 220 rpm; pH 1,8; Densidad depulpa 15% P/V;
Temperatura: 30˚𝐶;
Medición de Concentración de: Fe+2 ; Fe total, sulfatos,
Ensayos de Cianuración
Agitación: 150 rpm; pH 10,5; Temperatura:
ambiente; 𝑡𝑖 𝑝𝑜 ℎ
Medición de: % de oro recuperado; cianuro, cal
Figura 3.2 Diagrama de flujo de la metodología
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1. ANÁLISIS ESTADÍSTICO
Se evaluó la mejor concentración de inóculo del consorcio bacteriano del Distrito Minero
Portovelo en cuatro concentraciones 5%, 10%, 15%, 20% v/v respectivamente, una vez
encontrado el mejor resultado se llevaron a cabo ensayos para obtener la mejor
concentración de inductor (Fe+2)2%, 4%, 6%, 8% p/v, en el proceso de biooxidación.
Para el análisis estadístico se realizó un análisis de regresión múltiple a través de mínimos
cuadrados para establecer el modelo que mejor se ajuste a los datos; así mismo se realizó un
análisis comparativo de Duncan Y Tukey para optimizar la concentración de inóculo e
inductor (Fe+2), utilizando el programa XLSTAT en la versión Pro 7.5
25
4.2. DETERMINACIÓN DE LA MEJOR CONCENTRACIÓN DE INÓCULO DEL CONSORCIO
BACTERIANO PORTOVELO.
4.2.1. LIXIVIACIÓN DE HIERRO
La lixiviación del mineral por A. ferroxidans se realizó utilizando cuatro
concentraciones de inóculo, la solubilización de hierro se muestra en la Gráfica 4.1 y
4.2
Gráfica 4.1 Concentración de Fe+2 durante la biooxidación variando concentración de inóculo.
Gráfica 4.2 Concentración de Fe+3 durante la biooxidación variando concentración de inóculo.
De acuerdo a la Grafica 4.1, el proceso se caracteriza por mostrar un ligero aumento
en la concentración de Fe+2 y luego una disminución de la velocidad de biolixiviación.
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
0 10 20 30 40 50
Co
nce
ntr
ació
n F
e II
(g/
L)
(días)
5%
10%
15%
20%
Blanco
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
0 10 20 30 40 50
Co
nce
ntr
ació
n F
eII
I (g/
L)
Días
5%
10%
15%
20%
Blanco
26
Además en esta gráfica se observa que los perfiles de oxidación son muy similares
para las concentraciones de 10% a 20% excepto para la concentración de 5% de
inóculo en donde el perfil de oxidación disminuye considerablemente.
En cuanto al perfil de concentración de Fe+3 mostrada en la Gráfica 4.2 se puede
evidenciar que se tiene la mayor producción de Fe+3 se encuentras en la
concentración de 20 % de inóculo, mientras q para la concentración de 5% a 15% el
perfil de concentración de Fe+3 son similares.
Los perfiles de biooxidación presentado corresponde a reacciones auto-catalíticas en
donde el aumento de la velocidad inicial se debe a un aumento de la población y
consumo de nutrientes; luego existe una disminución de la velocidad debido a que
empiezan a extraer la pirita en el mineral y puede llegar a los límites de tolerancia del
metal por el microrganismo, alrededor de 20g/L se ha reportado que el ión férrico
inhibe la oxidación de A. ferroxidans30 En el caso de la concentración de 5% de
inóculo, éste sale bajo debido a que el hierro mineral se ha consumido totalmente.
Análisis Comparativo de Tukey y Duncan
Es el análisis utilizando Tukey y Duncan para mostrar los grupos significativos que representa el ensayo lo que el la tabla 4.1 se muestra a continuación:
Tabla 4.1 Ordenación y agrupamientos de los grupos no significativamente diferente de Tukey
Categorías Media Agrupamientos
20 4,606 A
15 4,383 A
10 3,664 B
5 2,322 C
Este análisis comparativo de Duncan y Tukey muestra que existe una diferenciación
significativa en cuanto a la biooxidación de hierro en función de la concentración de
inóculo. La tabla 4.1 nos da una medida de la lixiviación férrica en donde se
comprueba nuevamente que el inóculo de 20% y 15% representa una mayor
capacidad de biolixiviación. El resto de datos se presentan en el Anexo 3
27
4.2.2. PERFIL DE OXIDACIÓN
Gráfica 4.3 Concentración de Fe+2, Fe+3, Fe Total y sulfatos durante la biooxidación en variación de la concentración de inóculo 5%, 10%, 15% y 20% V/V
En la Gráfica 4,3 se puede observar que la biooxidación se da con mayor facilidad en
la concentración de inóculo del 5%, viéndose reflejado que en el día 15 se observa un
cambio significativo en la concentración de hierro, mientras que para las
concentraciones de inóculo de 10%, 15%, 20% la biooxidación se va realizando más
paulatinamente.
Gráfica 4.4 Razón Fe+3/Fe+2variando concentración de inóculo
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0 10 20 30 40 50
Re
laci
ón
Fe
III/
FeII
Días
5%
10%
15%
20%
Blanco
28
La Gráfica 4.4 se muestra la razón Fe+3en función de Fe+2 en donde nos podemos dar
cuenta que el perfil de la concentración de inóculo del 5% se da con mayor rapidez y
con una mayor magnitud, no así el resto de concentraciones, la cuales en función del
tiempo no poseen una elevada razón Fe+3/Fe+2 que le proporciona al medio
lixiviante una alta capacidad oxidativa.
Podemos decir que la razón entre las especies ion férrico-ion ferroso depende de la
capacidad oxidativa del sistema que predomina por la oxidación de ion ferroso frente
a la oxidación mediante oxígeno disuelto, hecho que podemos asegurar
comparándolo con la gráfica esto de acuerdo con otros autores4
El efecto del volumen del inóculo aumenta la velocidad de ion ferroso y por lo tanto
muestra la capacidad de adaptabilidad del microorganismo al mineral; por otro lado
el hecho de que exista un alto porcentaje de hierro precipitado en el volumen de
inóculo de 5% es causado debido al lento desempeño del A. ferrooxidans que puede
producir ácidos, los cuales pueden decrecer significativamente la precipitación de
hierro.
4.2.3. LIXIVIACIÓN DE AZUFRE
Gráfica 4.5 Concentración de sulfatos durante la biooxidación variando concentración de inóculo
En la Gráfica 4.5 al igual que la Gráfica 4.3 se observa la formación de sulfato durante
la biolixiviación del mineral, en donde el perfil es el mismo que el de Fe+3 en solución.
La formación de sulfato aumenta en función de la concentración de inóculo como se
0
5
10
15
20
25
0 10 20 30 40 50
Co
nce
ntr
ació
n d
e s
ulf
ato
s (g
/L)
Días
5%
10%
15%
20%
Blanco
29
puede ver en la figura anterior, en donde podemos evidenciar que la producción de
sulfatos es directamente proporcional a la concentración de inóculo, y ésta se duplica
en función de Fe+3 producido. De acuerdo a los experimentos realizados se puede
decir que existe formación de sulfato como producto de la lixiviación férrica, el cual
da la formación de ácido sulfúrico que además promueve una disminución de pH.
La pirita es lixiviada debido a una oxidación del azufre que constituye su estructura
molecular, producto de esto se libera a la solución un átomo de hierro y especies
oxidadas de azufre.31
4.2.4. pH y EH
Gráfica 4.6 Variación de pH durante la biooxidación variando concentración de inóculo
En el proceso de biooxidación del mineral se midió el pH y el potencial REDOX el cual
nos permite obtener una visión instantánea del estado oxidativo del medio lixiviado,
en la Gráfica 4.6 se muestra la variación de pH durante la biooxidación, en donde
partiendo en un pH inicial de 1,8 se llega hasta valores de 1,5 aproximadamente al
20% de concentración de inóculo, lo cual es debido a la producción de ácido sulfúrico
durante la lixiviación del mineral.
Por otro lado la Gráfica 4.7 nos permite ver la variación del EH durante la
biooxidación del mineral, este valor depende claramente de la concentración de
inóculo, el cual alcanza valores máximos de 315 mV aproximadamente para la
concentración de inóculo del 20%.
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
2,00
0 10 20 30 40 50
pH
Días
5%
10%
15%
20%
Blanco
30
Gráfica 4.7 Variación de EH durante la biooxidación variando concentración de inóculo.
4.2.5. PRODUCTIVIDAD
La velocidad de lixiviación se determinó a partir de la productividad volumétrica
máxima de hierro total y sulfato.
4.2.5.1. PRODUCTIVIDAD EN FUNCIÓN DEL HIERRO TOTAL Y SULFATOS
Tabla 4.1 Productividad de Hierro y sulfatos variando concentración de inóculo
Concentración de inóculo
(X1)
Concentración de inductor
(% w/vol) (X2)
Fe Qp
(g/Ldia)
SO4 Qp
(g/Ldia)
5 2 0,085 0,145
10 2 0,155 0,195
15 2 0,187 0,244
20 2 0,241 0,295
Blanco 2 0,057 0,088
Los datos de las tabla 4.1 corresponden a los resultados de la productividad
volumétrica máxima de hierro y sulfato en función de la concentración de
inóculo respecto a sus niveles máximos y mínimos.
285
290
295
300
305
310
315
320
0 10 20 30 40
Eh (
mV
)
Días
5%
10%
15%
20%
Blanco
31
Tabla 4.2 Coeficiente de regresión para las ecuaciones de productividad de hierro y sulfato variando concentración de inóculo
Coeficientes Ec QP Hierro Ec QP sulfatos
b0 0,172 0,219
b1 0,075 0,074
b2 -0,009 0,0006
R2 0,999 0,999
Los resultados de la regresión múltiple se muestran en la tabla 4.2, en donde
se encuentran los valores de los coeficientes de regresión para el modelo de
productividad de hierro y sulfato.
4.2.5.2. ANÁLISIS DE VARIANCIA PARA LA REGRESIÓN
El análisis de variancia para los datos de productividad se muestran en la
Tabla 4.3 en donde el valor de F de la regresión es mayor al valor de F crítico
con un 95% de confianza y un R2 de 0,99 lo que significa que
aproximadamente el 99% de la variabilidad de la productividad de hierro y
sulfatos son explicados bajo el modelo de ecuación cuadrática.
El análisis de los coeficientes nos indica que el producto cuadrático es menos
significativo que los coeficientes lineales, y el coeficiente de cero influye
directamente sobre la productividad, tanto de sulfatos como de hierro; es
decir, que el efecto de la concentración de inóculo presenta un efecto directo
sobre la productividad de hierro y sulfato.
Tabla 4.3 Análisis de varianza para la productividad de hierro y sulfatos
Grados de
libertad
Suma de cuadrados
Promedio de los
cuadrados F
Valor crítico de
F
Regresión 1 0,012 0,012 361,206 0,003
Residuos 2 0,000 0,000
Total 3 0,013
32
Gráfica 4.8 Grado de extracción variando concentración de inóculo
En la Gráfica 4.8 se observa que la productividad volumétrica de hierro y
sulfato aumenta en función de la concentración de inóculo de manera lineal
para el hierro y el sulfato, con la diferencia que estequiométricamente el
sulfato lo hace al doble del hierro.32
Las ecuaciones del modelo están dadas de la siguiente manera por las ecuaciones 4.1 y 4.2:
4.3. DETERMINACIÓN DE LA MEJOR CONCENTRACIÓN DE INDUCTOR (Fe+2) DEL CONSORCIO
BACTERIANO PORTOVELO.
4.3.1. LIXIVIACIÓN DE HIERRO Y SULFATO
La evaluación de los ensayos se realizó probando cuatro diferentes concentraciones
de inductor (Fe+2) 2,4, 6 y 8g/L de (Fe+2), consecuentemente se incluyó dos controles
el primero es un blanco el cual no posee inductor e inóculo y el segundo es un ensayo
que solamente tiene inóculo, además se incluye la concentración de 2g/L testado en
el objetivo anteriormente descrito.
0,0
0,1
0,1
0,2
0,2
0,3
0,3
0,4
Qp
Fe
III
Qp
su
lf
Concentración de Inóculo (%V/V)
Fe Qp(g/Ldía)
SO4 Qp(g/Ldía)
Ec. 4.1
Ec 4.2
33
Gráfica 4.9 Concentración de Fe+3 durante la biooxidación en variación de inductor (Fe+2)
Gráfica 4.10 Concentración de sulfatos durante la biooxidación en variación de inductor (Fe+2)
En la Gráfica 4.9 se aprecia que las concentraciones de inductor del 6g/L a 8g/L (Fe+2)
son similares entre sí, el perfil de la concentración de inductor de 2g/L tiende a ser
mayor a las anteriores. Así mismo se puede observar que los controles evaluados
tanto el blanco control como el ensayo con inóculo y sin inductor también de control,
sus perfiles de oxidación son bajos respecto de las concentraciones mencionadas; en
el primero se evidencia la poca o casi nula capacidad de oxidación del mineral,
mientras que en el segundo se demuestra que a pesar de su capacidad de oxidar está
no es significativa asegurándose que es preciso la utilización de un agente inductor
para que pueda ser posible la biooxidación.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0 10 20 30 40
Co
nce
ntr
ació
n I
nu
cto
r (g
/L)
Días
4g/L
6g/L
8g/L
Blanco
2g/L
Sin inductor
0
5
10
15
20
25
0 10 20 30 40
Co
nce
ntr
ació
n d
e in
du
tor
(g/L
)
Días
Sulfatos
4g/L
6g/L
8g/L
Blanco
2g/L
sin inductor
34
De igual forma en la Gráfica 4.10 se observa que los perfiles de producción de
sulfatos, son similares a los de la gráfica 4.9 de oxidación de Fe+3, que coincide con la
relación estequiométrica 1Fe:2S
Estudios similares demuestran que a la concentración de 2g/L existe un crecimiento
confortable para los microorganismos y buena extracción de metal en mineral.4
Así mismo que a medida de que aumenta la extracción de Fe+2 se vuelve
independiente la extracción del mineral, así como el crecimiento microbiano. Por
otro lado en presencia de microorganismos sin fuente de energía no existe sustrato
para que exista un crecimiento bacteriano y por lo tanto una oxidación de ion ferroso
a férrico.19
Por otra parte los datos obtenidos coinciden con otros estudios donde se reporta un
efecto de inhibición competitiva del ión ferroso en A.ferrooxidans por concentración
de ion férrico y concentración celular creciente21, 33
4.3.2. PRODUCTIVIDAD
4.3.2.1. PRODUCTIVIDAD EN FUNCIÓN DEL HIERRO TOTAL Y SULFATOS
Los datos de la Tabla 4.4 pertenecen a los resultados de la productividad
volumétrica máxima de hierro y sulfato en función de la concentración de
inductor (Fe+2) respecto a sus niveles máximos y mínimos.
Tabla 4.4 Productividad máxima en variación de inductor (Fe+2)
Concentración de inóculo (X1)
Concentración de inductor (%
w/vol) (X2)
Fe III Qp
(g/L día)
SO4 Qp
(g/L día)
20 2 0,241 0,295 20 4 0,020 0,112 20 6 0,037 0,096 20 8 0,042 0,045
Blanco 0 -0,004 0,011
Los resultados de la regresión múltiple se muestran en la tabla 4.5 en donde
se encuentra el valor de cada uno de los coeficientes de regresión para el
35
modelo de productividad de hierro y sulfato en la variación de concentración
inductor (Fe+2)
Tabla 4.5 Coeficiente de regresión para las ecuaciones de productividad de hierro y sulfato en variación de inductor (Fe+2)
Coeficientes Ec. QP Hierro sulfatos
b0 0,020 0,096 b1 -0,102 -0,033 b2 0,119 -0,017 R2 0,81 0,83
Los coeficientes de productividad obtenidos nos indican que los coeficientes
individuales son significativos con un 95% de confiabilidad, por lo tanto,
podemos decir que existe un efecto independiente mayor que el efecto lineal
y cuadrático, en relación a elevadas concentraciones de ion ferroso.
4.3.2.2. ANÁLISIS DE VARIANCIA PARA LA REGRESIÓN
Tabla 4.6 Análisis de varianza para la productividad de hierro y sulfatos en
variación de inductor (Fe+2)
Grados
de libertad
Suma de cuadrados
Promedio de los
cuadrados F
Valor crítico de F
Regresión 1 0,00024 0,00024 9,942 0,195 Residuos 1 0,00002 0,00002
Total 2 0,00027
El análisis de variancia para los datos de productividad se muestran en la
Tabla 4.6 en donde el valor de F de la regresión es mayor al valor de F crítico
con un 95% de confianza y un R2 de 0,82 lo que significa que
aproximadamente el 82% de la variabilidad de la productividad de hierro y
sulfatos son expresados bajo el modelo de ecuación cuadrática.
La influencia de la concentraciónde inductor (Fe+2) fue estudiada en
diferentes concentraciones, a medida que el contenido de ion ferroso crece,
la productividad de hierro y sulfato aumenta pero no de manera significativa
como lo hace la concentración de 2g/L de inductor (Fe+2), esto se debe a que
36
las concentraciones de 4, 6 y 8 g/L de inductor fueron muy elevadas donde
su efecto inhibitorio fue notable.
Estudios similares demuestran que la velocidad de aparición de producto en
el tiempo son mayores conforme aumenta la concentración de hierro, pero
en las 20 horas de fermentación se empieza a notar el efecto inhibitorio del
ion férrico que sería explicada por una inhibición competitiva por el ion
férrico9
4.3.3. GRADO DE EXTRACCIÓN
El grado de extracción de hierro se modeló al igual que la productividad volumétrica
(Qp) los resultados se muestran en la siguiente tabla utilizando los mismos niveles
máximos y mínimos de los factores utilizados vistos en la Tabla 4.7
Tabla 4.7 Grado de extracción en variación de inductor (Fe+2)
Concentración inóculo (X1)
Concentración inductor
Hierro total de la muestra mineral
Concentración final de Hierro menos el inoculo en solución g/L
Hierro Extraído
Grado de extracción de hierro
% % 0,1638 5 2 24,57 3,655 14,88 0,149 10 2 24,57 6,674 27,16 0,272 15 2 24,57 8,043 32,73 0,327 20 2 24,57 10,348 42,12 0,421
En la Tabla 4.8 se muestra los coeficientes de regresión múltiple basándonos en la
ecuación cuadrática utilizada anteriormente en la productividad
Tabla 4.8 Coeficientes de productividad en variación de inductor (Fe+2)
Coeficiente GE Hierro
b0 0,301 b1 0,131 b2 R2
-0,016 0,99
En el grado de extracción de hierro el efecto que se da es lineal, lo que significa que
para la concentración de inductor (Fe+2) está ajustado a un 95% de confianza y con un
R2 igual a 0,99 lo que significa que aproximadamente el 99% de la variabilidad del
37
grado de extracción de hierro es explicado por la ecuación 4.3 y como se muestra en
la Tabla 4.8.
En consecuencia los resultados obtenidos nos indican que la concentración de
inóculo causa un efecto mayor que la concentración de inductor sobre la
biooxidación de minerales refractarios de oro. Obteniéndose un porcentaje de hierro
extraído desde el mineral de 42,12%.
4.4. ENSAYOS DE CIANURACIÓN PARA RECUPERACIÓN DE ORO
En la tabla 4.9 se puede apreciar los gastos totales tanto de cal como de cianuro (CNNa)
consumido durante el proceso de cianuración.
Tabla 4.9 Cianuración de las muestras
muestra peso (g) Cal total (g) CN total(g)
B 29,11 0,55 0,30
2 30 1,09 0,29
4 29,22 4,38 0,30
6 29,59 4,74 0,29
8 30,22 4,01 0,29
Luego de la Cianuración de los ensayos biolixiviados se obtuvo como resultado después de la
lectura por medio de absorción atómica que se presentan a continuación en la Tabla 4,10
Tabla 4,10 Rendimientos de recuperación de Oro
muestra conc Au liq (mg/L)
conc. Au suel (mg/Kg)
Entrada (g) Solución Relave rendimiento
B 0,31 0,74 0,11 0,03 0,02 25,90
2 0,845 1,6 0,11 0,08 0,05 67,64
4 0,47 0,96 0,11 0,04 0,03 38,95
6 0,49 1,07 0,11 0,04 0,03 39,68
8 0,50 1,08 0,11 0,04 0,03 39,57
Ec. 4.3
38
Lo que la tabla refleja claramente que luego de biooxidar se puede recuperar hasta un 68% de
oro, frente a un 25% que se lo podría hacer sin biooxidación. Por otro lado con las demás
concentraciones se observa una recuperación de alrededor del 38%, lo que podemos asegurar
que realmente la biooxidación es un método efectivo, favorable y lo más importante amigable
con el medio ambiente.
Para realizar los cálculos de rendimiento de oro se lo realiza mediante la Ec. 4.4.
Ec. 4.4
De donde:
S= la concentración de oro en la solución en el proceso
E= la concentración de oro a la entrada del proceso
Ahora para calcular la concentración de oro tanto en la entrada como en la solución se
determina como el producto entre la concentración de oro que resultó de la lectura del análisis
de absorción atómica y el peso o volumen de muestra respectivamente.
39
5. CONCLUSIONES
Luego de los ensayos de biooxidación se puede asegurar que la mejor concentración de
inóculo que se obtuvo con los ensayos de biooxidación está dado por 15 % yl 20%
volumen/volumen. Pero el de 20% es el que mejor resulta, tanto por productividad como por
grado de extracción.
La concentración de inductor (Fe+2) óptima que se logró encontrar luego de haber testado el
proceso de biooxidación es de 2g/L. ya que si se aumenta la concentración de inductor (Fe+2)
se puede tener efectos de inhibición por producto en este caso ión ferrico.
La productividad volumétrica máxima (Qp) con los valores de concentración de inóculo e
inductor de 20% y 2g/L respectivamente, tanto para hierro como sulfatos tuvo mejores
resultados frente a los demás ensayos, con 0,241g/Ldía para hierro y 0,295g/Ldía para
sulfatos.
El mejor grado de extracción de hierro está dado por el 42%, lo que indica que este
innovador proceso de recuperación de oro es favorable.
Luego de realizar el proceso de cianuración a las muestras biooxidadas se obtiene
aproximadamente un 68% de rendimiento de recuperación de oro.
Después de la evaluación de los parámetros propuestos se puede señalar con certeza que la
biooxidación es un proceso favorable para la recuperación de oro refractario con los relaves
de la zona minera de Portovelo.
40
6. RECOMENDACIONES
Para realizar ensayos de biooxidación es recomendable trabajar con 20% de concentración
de inóculo V/V y 2g/L de concentración de inductor (Fe+2), ya que con estas condiciones se
favorece el desarrollo de este proceso novedoso.
No utilizar concentraciones mayores a 2g/L de concentración de inductor (Fe+2) porque existe
inhibición de las bacterias, siendo no propicio para los objetivos enfocados de la biooxidación
Se recomienda hacer una determinación de proteínas, parámetro por el cual se puede
apreciar una mejor forma de como es el crecimiento de células plántónicas como de células
adheridas al mineral.
Se debería hacer investigaciones donde se compruebe como la biooxidación se comporta en
un sistema continuo, evaluando con un mayor volumen, es decir de lo posible hacerlo en
escala piloto.
El proceso de biooxidación es un proceso recomendado para la recuperación de oro
refractario y puede ser aplicado en el sector de Portovelo para mejorar la extracción de oro.
41
7. BIBLIOGRAFÍA
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44
8. ANEXOS
ANEXO 1 FOTOGRAFÍAS DE EQUIPOS Y DE PROCESOS
Figura 3.1 Molino de Bolas de laboratorio para molienda.Fuente:Autor
Figura 3.2Ensayos de Biooxidación durante el proceso.Fuente: Autor
45
Figura 3.4 Espectrofotómetro ThermoScientific para la medición de Fe+2, Fe Total, Sulfato.Fuente: Autor
Figura 3.5Espectrómetro de Absorción Atómica. Fuente: Autor
46
ANEXO 2 ANÁLISIS DE GRANULOMETRÍA
abertura (µm)
Mallas( # ) Peso (g) Peso (%) Retenido acumulado (%)
2000 10 0,01 0,01 0,01
1000 18 0,03 0,02 0,02
500 35 0,03 0,02 0,04
250 60 0,03 0,02 0,06
125 120 4,13 2,30 2,36
63 230 38,37 21,40 23,76
45 325 11,31 6,31 30,07
37 400 9,52 5,31 35,37
-400 0,87 0,49 35,86
lamas 115,01 64,14 100,00
suma 179,31 100,00
47
ANEXO 3 ANÁLISIS DE VARIANZA
Tabla 8.1 Coeficientes de ajuste:
R (coeficiente de correlación) 0,947 R² (coeficiente de determinación) 0,898 R²aj. (coeficiente de determinación ajustado) 0,882 SCR 7,579
Tabla 8.2Pruebas de comparaciones múltiples para la variable 5:
Tukey (HSD) / Análisis de las diferencias entre grupos con un intervalo de confianza de 95,00 %:
Categorías Diferencia Diferencia estandarizada Valor crítico Pr. > Dif Significativo 20 ~ 5 2,284 14,766 2,663 < 0,0001 Sí 20 ~ 10 0,942 6,207 2,663 < 0,0001 Sí 20 ~ 15 0,223 1,471 2,663 0,463 No 15 ~ 5 2,061 13,323 2,663 < 0,0001 Sí 15 ~ 10 0,719 4,736 2,663 0,000 Sí 10 ~ 5 1,342 8,675 2,663 < 0,0001 Sí Valor crítico del d de Tukey: 3,767
Tabla 8.3 Ordenación y agrupamientos de los grupos no significativamente diferentes:
Categorías Media Agrupamientos 20 4,606 A
15 4,383 A 10 3,664
B
5 2,322 C
Tabla 8.4 Prueba de Duncan / Análisis de las diferencias entre grupos con un intervalo de confianza de 95,00 %:
Categorías Diferencia Diferencia estandarizada Valor crítico Pr. > Dif Alfa (modificado) Significativo 20 ~ 5 2,284 14,766 2,184 < 0,0001 0,143 Sí 20 ~ 10 0,942 6,207 2,116 < 0,0001 0,098 Sí 20 ~ 15 0,223 1,471 2,012 0,148 0,050 No 15 ~ 5 2,061 13,323 2,116 < 0,0001 0,098 Sí 15 ~ 10 0,719 4,736 2,012 < 0,0001 0,050 Sí 10 ~ 5 1,342 8,675 2,012 < 0,0001 0,050 Sí
Pruebas de comparaciones múltiples para la variable 0*5:
Tabla 8.5 Tukey (HSD) / Análisis de las diferencias entre grupos con un intervalo de confianza de 95,00 %:
Categorías Diferencia Diferencia estandarizada Valor crítico Pr. > Dif Significativo 0*5-10 ~ 0*5-5 0,140 3,710 2,663 0,003 Sí 0*5-10 ~ 0*5-15 0,005 0,504 2,663 0,958 No 0*5-10 ~ 0*5-20 0,003 0,237 2,663 0,995 No 0*5-20 ~ 0*5-5 0,137 3,644 2,663 0,004 Sí
48
0*5-20 ~ 0*5-15 0,003 0,268 2,663 0,993 No 0*5-15 ~ 0*5-5 0,134 3,569 2,663 0,005 Sí Valor crítico del d de Tukey: 3,767
Tabla 8.6 Ordenación y agrupamientos de los grupos no significativamente diferentes:
Categorías Media Agrupamientos 0*5-10 0,037 A
0*5-20 0,034 A 0*5-15 0,032 A 0*5-5 -0,103 B
Tabla 8.7 Prueba de Duncan / Análisis de las diferencias entre grupos con un intervalo de confianza de 95,00 %:
Categorías Diferencia Diferencia estandarizada Valor crítico Pr. > Dif Alfa (modificado) Significativo 0*5-10 ~ 0*5-5 0,140 3,710 2,184 0,003 0,143 Sí 0*5-10 ~ 0*5-15 0,005 0,504 2,116 0,870 0,098 No 0*5-10 ~ 0*5-20 0,003 0,237
No
0*5-20 ~ 0*5-5 0,137 3,644 2,116 0,002 0,098 Sí 0*5-20 ~ 0*5-15 0,003 0,268 2,012 0,790 0,050 No 0*5-15 ~ 0*5-5 0,134 3,569 2,012 0,001 0,050 Sí
Taba 8.8 Ordenación y agrupamientos de los grupos no significativamente diferentes:
Categorías Media Agrupamientos 0*5-10 0,037 A
0*5-20 0,034 A 0*5-15 0,032 A 0*5-5 -0,103 B
49
ANEXO 4 CURVAS DE CALIBRACIÓN
Determinación de Fe+2
El procedimiento que se siguió para la medición de fue el siguiente: tomó un muestra de la
olución biolixiviada y se procedió a diluir con agua acidulada, luego se tomó una muestra de
0,1 ml en la que se adición 1 ml de complejante, se agitó por dos minutos y se le adicionó el
reactivo 1,10 fenantrolina, nuevamente se procedió agitar y se diluyó la mezcla con agua
acidulada. La absorbancia se midió por espectrofotometría de UV visible a 510 nm, en un
espectrofotómetro marca Thermo. El blanco contuvo todos los reactivos con excepción de la
muestra, el cual se reemplaza por agua acidulada.
Se realizó las curvas de calibración para Fe+2 con sulfato ferroso heptahidratado y midiendo
las absorbancias tal y como se lo explicó en la metodología. Haciendo la lectura por tres
repeticiones. La desviación estándar de la curva de calibración de Fe+2 es 0,062
Grafica 8.1 Curva de calibración de Fe+2
Determinación de Fe Total
El procedimiento es muy parecido a la lectura de Fe+2, lo que varió es en la composición y
los reactivos donde se tomó la muestra en un tubo de 10ml, se le adicionó hidroxilamina,
y = 0,0017x + 0,003 R² = 0,9967
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0 20 40 60 80 100 120
Ab
sorb
anci
a (5
10
nm
)
Fe II(ppm)
Fe II
50
fenantrolina y aforado a 2,5ml de agua acidulada. Así mismo el blanco contuvo todos los
reactivos con excepción de la muestra, el cual se reemplaza por agua acidulada.Además se
realizó tres repeticiones de cada lectura.
Se realizó las curvas de calibración para Fe total con sulfato ferroso heptahidratado y
midiendo las absorbancias tal y como se lo explicó en la metodología. Haciendo la lectura por
tres repeticiones. La desviación estándar de la curva de calibración de Fe+2 es 0,068
Gráfica 8.2 Curva de Calibración de Fe Total
Determinación de Sulfatos
El procedimiento que se realizó se describe a continuación, se tomó la muestra y diluyó con
agua des-ionizada en un tubo de 10ml, se agregó con la punta de la espátula cloruro de bario
y se agitó por un minuto, luego se leyó la absorbancia 520 nm así mismo en el
espectrofotómetro. Se utilizó como blanco una muestra a la que no se le añade cloruro de
bario.
En el caso de sulfatos se hizo analógicamente igual como indicado en la metodología y en las
curvas de calibración de Fe. La desviación estándar fue de 0,130
y = 0,0018x - 0,0027 R² = 0,9988
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0,2
0 20 40 60 80 100 120
Ab
sorb
anci
a (5
10
nm
)
Fe total (ppm)
Fe Total
51
Gráfica 8.3 Curva de calibración de sulfatos
y = 0,0035x - 0,0077 R² = 0,9984
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0 20 40 60 80 100 120
Ab
sorb
anci
a (5
20
)nm
Sulfatos (ppm)
Sulfatos
52
ANEXO 5 PROCEDIMIENTO PARA CIANURACION
De las muestras de los ensayos de biooxidación, se pesó 30g y se hizo una dilución de pulpa
con relación 1:2, se controló el pH, se añadió cal si es necesario hasta alcanzar un pH de
10.5. Así mismo se adicionó cianuro de sodio (NaCN) con una concentración de 1 g/L,
manteniendo constante por 24 horas, controlando el gasto de cianuro periódicamente; para
lo cual se filtró a vacio 5ml de pulpa, hasta obtener una solución clara. Posterirmente se
colocó 5 gotas yoduro de potasio como de indicador. Se procedió a titular con una solución
de nitrato de plata con una concentración de 4,94 g/L.
Cuando la solución se mostró con un color ligeramente amarillento fue cuantificado el
volumen de nitrato de plata gastado, reallizando los cálculos correspondientes para conocer
la cantidad de cianuro consumido, y por lo tanto la cantidad de cianuro que se debió agregar
para reponer el gasto del reactivo. Así mismo, se controló y repuso el volumen de aguan
antes extraído, manteniendo controlado el pH adicionando cal si era necesario para
mantener el pH de 10.5, este mismo proceso se lo realiza cada determinado tiempo.
Culminadas las 24h de cianuración, se filtró al vacío la pulpa y procediendola a secarla en la
estufa para disgregarla y someterla a análisis por espectrofotometría de absorción atómica
tanto a la parte sólida como a la solución cianurada.
Luego de hacer la digestión de las muestras sólidas se leyó los diferentes ensayos las
concentraciones de oro en el espectrómetro de absorción atómica marca Perkin Elmer.
Dándonos resultados directos. En la figura 3.5 del Anexo 1 se observa el equipo de absorción
atómica utilizado.
53
ANEXO 6 ARTÍCULO CIENTÍFICO
PARAMETERS OPTIMIZATION FOR THE BIO-OXIDATION OF POLYMETALLIC MINERALS OF THE
PORTOVELO MINING DISTRICT
Esvar Díaz D.,1* Paulina Aguirre Ch.2
1Titulación de Ingeniería Química, Universidad Técnica Particular de Loja
San Cayetano Alto s/n, 1101 608, Loja, Ecuador. 2Departamento de Química, Universidad Técnica Particular de Loja
San Cayetano Alto s/n, 1101 608, Loja, Ecuador.
*Corresponding author: [email protected]
ABSTRACT
The deficient recovery of metals such as gold is generating social and an environmental issues in
Ecuador, therefore the bio-oxidation of sulphuretted minerals offers a sustainable and economic
alternative for its recovery. The bio-oxidation of gold minerals is a process in which the small gold
particles inserted in the sulphuretted mineral matrix are accessible to cyaniding, making gold
recovery possible, this process is carried out using microorganisms.
The objectives of this investigation were to determine the optimal values for bio-oxidation of
inoculate and inducer (Fe+2) concentrations for the leaching of polymetallic sulfides and to obtain the
best gold recovery of the bioleached minerals through the cyaniding process. Native
Acidothiobacillus ferrooxidans microorganisms were used. Laboratory tests were carried out at 5, 10,
15 and 20 % V/V of inoculum concentration and four inducer (Fe+2) concentrations: 2, 4, 6 and 8 g/L.
The initial temperature and pH were 30 °C and 1,8 respectively, the particle size of the concentrated
mineral was 64 µm and pulp density of 15 % w/V. The determined parameters were: pH, Eh, bacteria
number, and concentration measurement of: total iron, Fe+2 and sulphates; these last ones were
obtained by means of colorimetrics methods.
The results obtained after bio-oxidation tests presented that the best inoculum concentration is 20 %
V/V, also the best inducer (Fe+2) concentration is 2 g/L, if both concentrations exceed these limits, an
inhibition of the bacteria takes place, on the other hand The maximum productivity (Qp), both iron
and sulfate had better results than other tests, with 0.241 g/Ldia for iron and 0.295 g/Ldia to sulfates.
The best degree of iron extraction is 42 %, which indicates that this innovating process of gold
recovery is favorable.
Keywords: bio-oxidation, inoculate, inducer, productivity
INTRODUCTION
The application of biotechnology for valious
metal recovery using wastes generated by the
mining process could have a great impact on
this industry; simultaneously new economic
opportunities would be generated. Within the
main benefits of the bacterial leaching are its
low cost and its lower environmental impact
55
in comparison with the traditional mining and
metallurgical processes.1
In Ecuador, the deficient use of traditional
technologies for gold recovery utilizing
sulphuretted minerals, causes that great part
of this metal remains in the solid wastes
without recovering, being a potential source
to obtain this resource, therefore, bioleaching
offers the possibility to solve in a great extent
the environmental issue generated by the
disposition of these tailings in the border of
the rivers.2
The inoculum concentration is the amount of
bacteria that take part in a bio-oxidation
process, these bacteria live in a pure medium
which must be adapted in a mineral medium
in order to be used in the inoculation of the
biological oxidation processes. On the other
hand, the inducer (Fe+2) in the bio-oxidation
process, is related to the indirect mechanism,
where it acts as an important factor in this
process, helping and being the initiator of the
ferrous to ferric ion reaction, thus, the bio-
oxidation occurs.3
MATERIAL AND METHODS
Bioleaching Tests
Figure 1 Bioleaching tests during the process.
Source: Author.
Native Acidothiobacillus ferrooxidans
microorganisms were used. Laboratory tests
were carried out in 500 ml Erlenmeyer flasks
where 5, 10, 15 and 20 % V/V inoculate
concentrations were evaluated and four
inducer (Fe+2) concentrations: 2, 4, 6 and 8
g/L. The initial temperature and pH were
made were 30°C and 1,8 respectively, the
particle size of the concentrated mineral was
185 mesh or 64 µm and pulp density of 15 %
w/V. The determined parameters were: pH,
Eh, bacteria number, and concentration
measurement of: total iron, Fe+2 and
sulphates. In addition the cyaniding process
was evaluated through the atomic absorption
in order to determine the higher gold recovery
of the tests.
Analytical determinations
The ferrous ion was determined by Muir’s
method, which is based on the formation of a
colored complex between Fe2+ and 1.10
phenanthroline, measured at 510 nm. The
total iron was calculated by reduction of Fe3+
56
with hydroxylamine chloride by the resulting
measurement of Fe2+. The sulphate ion was
determined through the turbidimetric
method, by precipitation in an acid medium of
barium chloride crystals measured at 520 nm.
The cyaniding process was evaluated by an
atomic absorption method in order to know
the concentration of the recovered gold.
RESULTS
Determination of the best inoculum
concentration of the Portovelo bacterial
consortium.
Graph 1 Concentration of Fe+2 during the bio-oxidation when varying the inoculum concentration.
According to Graph 1, the process is
characterized by showing a slight increase in
the concentration and a decrease in the
bioleaching speed. In addition, in this graph it
is observed that the oxidation profiles are very
similar for the 10, 15 and 20 % concentrations,
the 5 % inoculum concentration showed a low
oxidation profile.
The bio-oxidation profiles presented
correspond to autocatalytic reactions in which
an increase of the initial speed is due to an
increase of the population and consumption
of nutrients, then there is a decrease in speed
because they begin to remove the pyrite and
reach the tolerance limits of the
microorganism, about 20 g/L. Regarding the
inoculum concentration of 5%, it shows lower
levels because the iron has been consumed
completely.4
Graph 2 Fe+3/Fe+2 ratio varying inoculum concentration.
Graph 2 shows the Fe+3/Fe+2 ratio in which the
inoculum concentration profile of 5% occurs
with greater speed and magnitude, the other
concentrations do not present a high , as
based on the time they do not have a high
Fe+3/Fe+2 ratio that provides to the leaching
medium a high oxidative capacity. This reason
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
0 20 40 60
5% 10% 15%
20% Blanco
0
1
2
3
4
0 10 20 30 40 50
5% 10% 15%
20% Blanco
57
is dependent on the oxidative capacity of the
system that predominates for the oxidation of
ferrous ion compared to oxidation by
dissolved oxygen, a fact which can assure
comparing the graph.
Determination of the best inducer (Fe+2)
concentration of the Portovelo bacterial
consortium.
Graph 3 Concentration of Fe+3 during the bio-
oxidation when varying the inducer (Fe+2)
concentration
The evaluation of the tests was made by
proving three different inducer (Fe+2)
concentrations from 4, 6, 8 g/L, consequently
it included two controls, the first one is a
blank which does not have inducer and
inoculums, and the second one is a sample
that only has inoculum, in addition, it includes
the concentration of 2 g/L tested in the
objective previously described.
As shown in graph 3 the profiles of oxidation
to Fe+3 where the inducer (Fe+2)
concentrations of 6 to 8 g/L are similar to each
other; the profile of the inducer concentration
of 2 g/L tends to be greater to the previous
ones. Also, the evaluated blank and the test
with inoculums showed low oxidation profiles;
the first one demonstrates little or null
mineral oxidation capacity, whereas the
second one demonstrates that in spite of its
oxidation capacity, it is not significant,
confirming that the use of an inductive agent
is necessary for bio-oxidation processes.5
Degree of extraction
The degree of iron extraction and the
volumetric productivity (Qp) were modeled,
the results are shown in the following table
using such maximum and minimum levels of
the used factors in the Table 1.
Concentr
ation
inóculo
(X1)
Conce
ntratio
n
induct
or
Fe total Concentrration
total Fe g/L
iron
extrac
ted
Degree
of
extractio
n of iron
% %
0,1638
5 2 24,57 3,655 14,88 0,149
10 2 24,57 6,674 27,16 0,272
15 2 24,57 8,043 32,73 0,327
20 2 24,57 10,348 42,12 0,421
Table 1 Degree of extraction
The coefficients of multiple regression based
on the quadratic equation used previously in
the productivity are shown below:
Coeficiente GE Iron
b0 0,301
b1 0,131
b2 -0,01
R2 0,991
Table 2 Coefficients of productivity when varying
inducer (Fe+2)
0
2
4
6
0 10 20 30 40
4% 6%
8% Blanco
2g/L Sin inductor
58
In the extraction degree of iron, the effect
that occurs is linear; the concentration,
adjusted to a 95 % confidence level and R2 =
0.99 shows that approximately 99 % of the
variability of the degree of iron extraction is
explained by this equation and as shown in
table 2.
Consequently the obtained results indicate
that the inoculum concentration causes a
greater effect than the inducer concentration
on the bio-oxidation of refractory gold
minerals. Obtaining 42.12 % of iron extracted
from the mineral.
Cyaniding tests for gold recovery
Sample Weight (g) Total lime (g) Total CN (g)
B 29,11 0,55 0,301
4 29,22 4,38 0,300
6 29,59 4,74 0,294
8 30,22 4,01 0,288
Table 3 Cyaniding of the samples
Table 3 shows the total consumption of lime
and cyanide (CNNa) during the cyaniding
process.
After cyaniding the bioleached tests, the
results obtained from the atomic absorption
procedure are shown in table 4
Sample Conc
Au liq
(mg/L)
Conc. Au
suel
(mg/Kg)
Entrance
(head)
Solution Tailing Yield
B 0,31 0,7
4
0,11 0,03 0,02 25,90
4 0,47 0,96 0,11 0,04 0,03 38,95
6 0,49 1,07 0,11 0,04 0,03 39,68
8 0,50 1,08 0,11 0,04 0,03 39,57
Table 4 Yields of Gold recovery
CONCLUSIONS
Once bio-oxidation tests were carried out, the
best inoculum concentration determined was
20% volume/volume.
The optimal inducer (Fe+2) concentration
found after tested the bio-oxidation process is
2 g/L, if the concentration increases inhibitory
effects can appear.
The maximum productivity (Qp) with the
values of inoculum concentration and inducer
of 20% and 2 g / L respectively, both iron and
sulfate had better results than other tests,
with 0.241 g / Ldia for iron and 0.295 g / Ldia
to sulfates.
The best degree of iron extraction is given by
42 %, with conditions of 2 g/L of inducer
concentration and 20 % V/V of inoculum
concentration. This fact indicates that this
innovating process of gold recovery is
favorable.
After making the process of Cyaniding to the
bio-oxidation samples a 40 % of yield of gold
recovery are obtained approximately.
59
After evaluation of the proposed parameters
can indicate with certainty that the bio-
oxidation is a favorable process for the
recovery of refractory gold tailings from the
mining area of Portovelo.
REFERENCES
1. MUQING QIU, G. W., WEIMINZHANG
AND SHUIYING XIONG,, Optimizing conditions
for bacterial leaching of copper from
discarded mines. Journal of University of
Science and Technology Beijing 2006,13, 108.
2. F. GORDILLO, J. P. S., V. SANMARTÍN,
P. AGUIRRE, J.C. GENTINA, E. DONATI,
Mineralogical characterization of a
polymetallic concentrate Portovelo mining
district. Bioleaching by a native bacterial
consortium, Advanced Materials Research.
Scientific 2009,71-73 481, 484.
3. MERRUANE, G. Oxidación bacteriana
de sulfato ferroso con Acidithiobacillus
ferrooxidans. Universidad de Chile, Santiago,
2002.
4. JONES C., K. D., Growth of Thiobacillus
ferrooxidans on ferrous iron in chemostat
culture: influence of products and substrate
inhibition. Journal Chem. Technol. Biochnol
1983,33B, 241-261.
5. PINA P.S., L. V. A., SILVA C.A., DAMAN
D., FRENAY J., The effect of ferrous and ferric
iron on sphalerite bioleaching with
Acidithiobacillus sp.Minerals Engineering
2005, 2-3.